半导体器件物理.pptx

1、半导体器件物理,国家级精品课程半导体器件物理与实验,Physics of Semiconductor Devices,半导体器件物理课程简介,课程简介,国家级精品课程半导体器件物理与实验,半导体器件物理与实验,2005 年5月2005 年8月2007 年12月,吉林大学校级精品课程 吉林省省级精品课程 教育部国家级精品课程,半导体器件物理半导体器件物理与实验课程的理论课部分面向专业：微电子学、光电子学、电子科学与技术,半导体器件物理课程简介,课程简介,国家级精品课程半导体器件物理与实验,课程地位：,主干专业基础课，硕士研究生入学考试科目。前期课程：普通物理、结晶学、量子力学、半导体物理学。后续

2、课程：集成电路，微电子技术，半导体光电子学等。主要内容：介绍一些常见半导体器件的基本结构、基本工作 原理、基本性能和基本制造工艺等。,半导体器件物理课程简介,教学团队,国家级精品课程半导体器件物理与实验,课程负责人：孟庆巨教授，,13331778341课程主讲教师：贾刚教授，,85168382刘海波教授,18686651588陈占国教授,13089136480课程辅导教师：陈长鸣博士，,13159618561,半导体器件物理课程简介,教材,国家级精品课程半导体器件物理与实验,半导体器件物理 孟庆巨刘海波孟庆辉 编著 科学出版社出版,2005年1月2005年7月2006年3月2009年2月,第一

3、版，第一次印刷 第二次印刷第三次印刷 第四次印刷,2009年11月第二版，第六次印刷,半导体器件物理课程简介,参考资料,国家级精品课程半导体器件物理与实验,半导体器件物理课件-ppt半导体器件物理学习指导半导体器件物理习题及参考答案半导体器件物理复习纲要半导体器件物理与实验国家精品课程网站 吉大网站校内办公教学在线教学资源平 台国家级精品课（第二页）半导体器件物 理论坛孟庆巨教授讨论室,半导体器件物理课程简介,主要参考书,国家级精品课程半导体器件物理与实验,Physics of Semiconductor Devices，Third Edition,S.M.Sze and Kwok K.Ng,

4、Published by John Wiley&Sons,Inc.in 2007.Semiconductor Physics and DevicesBasic Principles，Third Edition,Donald A.Neamen，Published by McGraw-Hill,in 2003.半导体器件基础，美 Robert F.Pierret，电子工业 出版社，2004.现代半导体器件物理，美 施敏（S.M.Sze），科 学出版社，2001.,半导体器件物理课程简介,课程内容（共56学时）,第一章半导体物理基础（4学时）,第二章第三章,PN结（12学时）双极结型晶体管（10学时

5、）,第四章第五章,金属-半导体结（5学时）结型场效应晶体管和肖特基势垒场效应晶体管（5学时）,第六章MOS场效应晶体管（8学时）,第七章第八章第九章,电荷转移器件（4学时）太阳电池与光电二极管（4学时）发光管与半导体激光器（4学时）,国家级精品课程半导体器件物理与实验,第一章半导体物理基础,国家级精品课程半导体器件物理与实验,Chapter 1Fundament of Semiconductor Physics,第一章半导体物理基础,学习目的重点知识回顾能带理论；载流子统计分布；载流子的输运现象；非平衡载流子的产生与复合；公式符号衔接,国家级精品课程半导体器件物理与实验,e q补充必要知识,静

6、电势；费米势；修正的欧姆定律；半导体中的 基本控制方程。,E,V,第一章半导体物理基础,1.11.6能带理论和杂质能级（自学）,国家级精品课程半导体器件物理与实验,基本概念与基本原理共有化运动；电子态；周期性势场；布洛赫定理；波矢量；倒格矢；倒格子；布里渊区；周期性边 界条件；导带；价带；禁带；晶体能带的性质；有效质量；导带电子；价带空穴；准动量；电子 和空穴在外力作用下的运动规律；金属、半导体、绝缘体的能带特征；Si、Ge、GaAs等常见半导体 的能带结构；能谷；横向有效质量；纵向有效质 量；直接带隙；间接带隙；施主杂质；受主杂质；杂质能级；N型半导体；P型半导体；深能级。,第一章半导体物理

7、基础1.7载流子的统计分布1.7.1 状态密度（Density of States,DOS)0.定义：单位体积晶体中单位能量间隔内的状态数。1.导带状态密度：4(2mdn)E1/23/2Nc(E)h3 Ec(1 7 4)2/3 1/3mdn Mm1m2m3(1 7 5)导带电子状态密度有效质量,1/2,)3/2,dn,h3,E Ec,Nc(E),4(2m,Ec,国家级精品课程半导体器件物理与实验,导带中的状态密度,第一章半导体物理基础,1.7载流子的统计分布1.7.1 状态密度（Density of States,DOS)2.价带状态密度：4(2mdp)1/23/2Nv(E)Ev E(1 7

8、4)h33/2 m3/2 m3/2(1 7 5)mdphl价带空穴状态密度有效质量国家级精品课程半导体器件物理与实验,Ev,价带中的状态密度,第一章半导体物理基础,1.7载流子的统计分布,导带,价带,N（E）,E,Eg,Ec禁带Ev,1.7.1 状态密度（Density of States,DOS）,简单能带图状态密度N(E)与能量E的关系,导带,价带,E,Eg,禁带,Ec,Ev,国家级精品课程半导体器件物理与实验,第一章半导体物理基础,1.7载流子的统计分布,费米分布函数和费米能级费米分布函数：电子费米子。一个能量为E的电子态被电子占据 的几率满足费米-狄拉克（Fermi-Dirac）统计分

9、布。,exp,(1 7 9),1,1E EkT,f E,F,k:Boltzmann常数；T:Kelvin温度；EF：Fermi能级。,国家级精品课程半导体器件物理与实验,第一章半导体物理基础,1.7载流子的统计分布1.7.2 费米分布函数和费米能级1.费米分布函数：一个能量为E的电子态未被电子占据（被空穴占据）的几率为：1 f E 1(1 7 10)EF Eexp 1kTk:Boltzmann常数；T:Kelvin温度；EF：Fermi能级。国家级精品课程半导体器件物理与实验,Ef,电子态被电子占据和未被占据的几率分布,第一章半导体物理基础,1.7载流子的统计分布,1.7.2 费米分布函数和费

10、米能级3.费米能级（Fermi Level）：在一定温度下，热平衡系统具有恒定的费米能级。费米能级是反映电子在各个能级上分布情况的参数。费米能级是电子填充能级水平高低的标志。4.玻尔兹曼分布：,在非简并半导体（掺杂浓度低，一般小于1018cm-3）中导带电子或价带空穴的浓度很低，它们对电子态的占,据不受Pauli不相容原理的限制，其分布几率可近似为Boltzmann分布。国家级精品课程半导体器件物理与实验,(1 7 11),kT,E E,E E kT,f(E)exp,F,F,(1 7 12),kT,E E,1 f(E)exp,E E kT,F,F,(1 7 14),kT,E E,n Nexp,

11、F,c,c,导带底有效状态密度,2,3,(1 7 15),h3,dn,c,N 22mkT,第一章半导体物理基础1.7载流子的统计分布能带中的电子和空穴浓度导带电子浓度,f(E)Nc(E)dE(1 7 13),n E,c,国家级精品课程半导体器件物理与实验,(1 7 17),p Nexp,EF Ev kT,v,价带顶有效状态密度,2,3,(1 7 18),h3,N 2 2,dp,v,mkT,第一章半导体物理基础1.7载流子的统计分布1.7.3 能带中的电子和空穴浓度2.价带空穴浓度,(E)dE(1 7 16),1 f(E)N,p,v,Ev,国家级精品课程半导体器件物理与实验,禁带宽度与温度的关系

12、,(1 7 22),Eg Ec Ev Eg 0 T,3,kT,E(1 7 23),np K Texp,1g 0,第一章半导体物理基础1.7载流子的统计分布1.7.3 能带中的电子和空穴浓度3.np之积,(1 7 21),np NNexp EkT,cvg,一定温度下的半导体，热平衡下的np之积只与有效状态 密度和禁带宽度有关，而与掺杂情况和费米能级无关。,国家级精品课程半导体器件物理与实验,第一章半导体物理基础1.7载流子的统计分布1.7.4 本征半导体（Intrinsic Semiconductor）,1.电中性条件：,n p(1 7 24),12,(1 7 25),c,v,i,N N,1Ec

13、 Ev kT ln2,E,2.本征费米能级：,1/2,(1 7 26),2kT,exp E,n p(np)1/2,g,cv,ii NN,3.本征载流子浓度：,国家级精品课程半导体器件物理与实验,第一章半导体物理基础,1.7载流子的统计分布,1.7.4 本征半导体（Intrinsic Semiconductor）4.质量作用公式：,np n2(1 7 27)i,(1 7 29),(1 7 28),kT,E E,p nexp,kT,E E,n nexp,F,i,i,i,F,i,5.电子和空穴浓度公式的另一种形式：,国家级精品课程半导体器件物理与实验,热平衡时，这 些公式 具有普 适性！,第一章半导

14、体物理基础,1.7载流子的统计分布,1.电中性条件：,n Nd(1 7 30),(1 7 32),EF Ec kT lnNc/Nd,3.费米能级：,(1 7 31),n Ndp n2Nid,2.载流子浓度：,EF Ei kT lnNd/ni,(1 7 33),国家级精品课程半导体器件物理与实验,1.7.5 只含一种杂质的半导体一.N型半导体：（饱和电离）,第一章半导体物理基础,0.60.40.20,-0.2-0.4-0.6-0.8,P型,N型,本征费米能级,导带,价带,1016,1014,101,2,1014,1016,1018,1018,-1.0,米能级。,100,200,300,400,5

15、00,T/K,国家级精品课程半导体器件物理与实验,1012Ei,EF-Ei/eV0.8,EF,Ec,Ev,EF,硅材,料费 米能 级随 杂质 浓度 和温 度的 变化 曲线,施主浓度 越高，N 型半导体 费米能级 越靠近导 带底。随 着温度的 升高，费 米能级逐 渐远离导 带底，接 近本征费,第一章半导体物理基础,1.7载流子的统计分布,1.电中性条件：,p Na(1 7 34),(1 7 36),EF Ev kT lnNv/Na,3.费米能级：,(1 7 35),p Nan n2Nia,2.载流子浓度：,EF Ei kT lnNa/ni,(1 7 37),国家级精品课程半导体器件物理与实验,1

16、.7.5 只含一种杂质的半导体二.P型半导体：（饱和电离）,第一章半导体物理基础,0.60.40.20,-0.2-0.4-0.6-0.8,P型,N型,本征费米能级,导带,价带,1016,1014,101,2,1014,1016,1018,1018,-1.0,米能级。,100,200,300,400,500,T/K,国家级精品课程半导体器件物理与实验,1012Ei,EF-Ei/eV0.8,EF,Ec,Ev,EF,硅材,料费 米能 级随 杂质 浓度 和温 度的 变化 曲线,受主浓度 越高，P 型半导体 费米能级 越靠近价 带顶。随 着温度的 升高，费 米能级逐 渐远离价 带顶，接 近本征费,第一章半导体物理基础,1.7载流子的统计分布,1.电中性条件：,n Nd Na(1 7 38),(1 7 40),EF Ec kT lnNc/(Nd Na),3.费米能级：,(1 7 39),n Nd Nap n2(N N)ida,2.载流子浓度：,EF Ei kT ln(Nd Na)/ni,(1 7 41),国家级精品课程半导体器件物理与实验,1.7.6 杂质补偿半导体一.NdNa情况（N型）：（饱和